বরফ পিচ্ছিল হয় কেন, ২০০ বছরের ভুল ধারণা ভেঙে দিল গবেষণা

প্রায় দুই শতাব্দী ধরে বিজ্ঞানের পাঠ্যপুস্তকে শেখানো হয়ে আসছে যে, বরফের ওপর চাপ বা ঘর্ষণের ফলে তার পৃষ্ঠে একটি পাতলা তরল স্তর তৈরি হয়, আর এই তরল স্তরই বরফকে পিচ্ছিল করে তোলে। শীতপ্রধান দেশে বরফে ঢাকা ফুটপাতে হাঁটার সময় হঠাৎ পিছলে পড়ে যাওয়ার ঘটনা তাই অনেকেই এভাবে ব্যাখ্যা করতেন। তবে জার্মানির সারল্যান্ড ইউনিভার্সিটির নতুন এক গবেষণা সেই প্রচলিত ধারণা পুরোপুরি বদলে দিচ্ছে।

অধ্যাপক মার্টিন মুজার এবং তাঁর সহগবেষক আচরাফ আতিলা ও সেরগেই সুখোমলিনভের নেতৃত্বে পরিচালিত এই গবেষণায় দেখা গেছে, বরফের পিচ্ছিল বৈশিষ্ট্য আসলে চাপ বা ঘর্ষণের কারণে নয়, ‘ডাইপোল’ নামের একধরনের আণবিক বৈশিষ্ট্যের জন্য।

প্রায় ২০০ বছর আগে লর্ড কেলভিনের ভাই জেমস থম্পসন একটি তত্ত্ব দেন—চাপ, ঘর্ষণ ও তাপমাত্রার কারণে বরফ গলে পাতলা পানি তৈরি হয়, যা বরফকে পিচ্ছিল করতে সাহায্য করে। এই তত্ত্বই আজও অনেক বইপত্রে এবং পাঠ্যপুস্তকে ব্যবহৃত হচ্ছে।

তবে অধ্যাপক মুজার বলেন, ‘গবেষণায় দেখা গেছে, চাপ বা ঘর্ষণ তেমন কোনো বড় ভূমিকা রাখে না। বরং মূল বিষয় হলো, বরফের অণুর ডাইপোল এবং জুতার তলার পদার্থের ডাইপোলের পারস্পরিক ক্রিয়া।’

ডাইপোল কী

একটি অণুতে যখন আংশিক ধনাত্মক ও আংশিক ঋণাত্মক চার্জের অঞ্চল তৈরি হয়, তখন সেই অণুর একটি সামগ্রিক ধ্রুবক বৈদ্যুতিক গুণ বা পোলারিটি উৎপন্ন হয়, যা নির্দিষ্ট একটি দিকে নির্দেশ করে। এভাবেই একটি অণু ডাইপোল নামে পরিচিত হয়। পানির অণু H₂ O-তেও এ ধরনের ডাইপোল থাকে।

শূন্য ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচে পানির অণুগুলো একটি নিয়মিত, সজ্জিত গঠনে বরফ তৈরি করে। তবে কোনো বস্তুর (যেমন জুতার তলা, স্কি, স্কেট) সংস্পর্শে এলেই সেই গঠনে বিশৃঙ্খলা দেখা দেয়।

যখন কেউ বরফের ওপর পা রাখে, তখন জুতার ঘর্ষণ বা চাপ নয়, বরং জুতার তলার ডাইপোলগুলোর নির্দিষ্ট অভিমুখ বরফের অণুতে থাকা ডাইপোলগুলোর সঙ্গে মিথস্ক্রিয়া ঘটায়। ফলে বরফের ওপরে থাকা সুশৃঙ্খল অণুগঠন হঠাৎ করেই ভেঙে পড়ে এবং সেখানে সৃষ্টি হয় বিশৃঙ্খলা।

বরফের সঙ্গে জুতার তলার ডাইপোলের যখন মিথস্ক্রিয়া হয়, তখন ত্রিমাত্রিকভাবে এই শক্তিগুলো একে অপরের সঙ্গে বিরোধে পড়ে যায়। পদার্থবিজ্ঞানে একে বলা হয় ‘ফ্রাস্ট্রেশন’, যেখানে পরস্পরবিরোধী শক্তিগুলোর কারণে একটি পূর্ণাঙ্গ সুশৃঙ্খল গঠন গড়ে ওঠে না।

ফলে বরফের সেই অংশ হয়ে পড়ে বিশৃঙ্খল, অনিয়তাকার এবং শেষ পর্যন্ত এক ধরনের তরল স্তর তৈরি হয়। এটাই বরফকে পিচ্ছিল করে তোলে।

এই গবেষণায় আরেকটি বিস্ময়কর তথ্য উঠে এসেছে। আগে ধারণা করা হতো, মাইনাস ৪০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচে স্কি করা যায় না, কারণ তখন বরফ গলে কোনো তরল স্তর তৈরি হয় না। মুজার বলেন, ‘এই ধারণাও ভুল। ডাইপোল মিথস্ক্রিয়া এত ঠান্ডায়ও কাজ করে এবং বরফের নিচে একধরনের তরল স্তর তৈরি হয়।’

তবে এই স্তর এতটাই ঘন এবং আঠালো হয় যে, তার সান্দ্রতা মধুর চেয়েও বেশি। তাই এটাকে পানি হিসেবে প্রায়ই চিনতেও পারব না এবং এর ওপর স্কি করাও প্রায় অসম্ভব।

এই গবেষণা বিজ্ঞানের দৃষ্টিতে একটি বড় অগ্রগতি। সারল্যান্ড ইউনিভার্সিটির এই গবেষণা এখন বিশ্বজুড়ে বিজ্ঞানীদের কৌতূহল জাগাচ্ছে। বরফ, ঘর্ষণ এবং পদার্থবিজ্ঞানের অনেক পরিচিত ধারণা নতুনভাবে ভাবার সময় এসেছে বলেই মনে করছেন বিশেষজ্ঞরা।

গবেষণাটি ফিজিক্যাল রিভিউ লেটারস এক গবেষণাপত্রে প্রকাশিত হয়েছে।